电源完整性本质

试想，VRM(Voltage Regulator Module,电压调节模块)距离芯片有一段距离，当芯片工作突然需要很大功率时，因为走线等效成电感，电流不能突变，功率不能瞬间提高——即”远水解不了近渴”。

所以电源完整性的核心本质就是快速且及时的功率供给

  • 快速:放电速度要快，能提供快速的电流响应
  • 及时:放电回路要短，尽可能早地提供电流响应

实现原理：以作为参考距离标准，确保电源与负载的物理距离满足时序要求

PDN网络充/放电本质

听到PDN网络，读者是否耳熟？没错，我们在SIwave第二部分中就介绍了PDN设计——PI仿真必要考虑的事情，读者可以戳链接进行复习，这里我们将更深入的了解其本质。

面对走线的电感特性，电流想要快速的响应，成了问题，就像出水口就是涓涓细流，我们对水的需求出现高峰时，必然供给不足，不过聪明的我们想到了蓄水池， 电容将电能存储，待到芯片用电高峰，它能够第一时间供给上，如此就成功的解决了电流响应不及时的情况。

不过我们还要强调一个概念——电流响应频率

试想，小区某栋楼用户用水，想要打开水龙头就可以流出水，肯定不会是直接从水厂送水，而是来自楼顶水箱，而楼顶水箱的水来自楼栋蓄水池，楼栋蓄水池的水来自小区蓄水池，小区蓄水池的水来自城市蓄水池，城市蓄水池的水来自水厂涓涓流淌的净化水。

这和电流响应频率有什么关系呢？

我们不妨思考，用户用水的频率非常快，但凡某级的蓄水池坏掉，那么用户就要花时间等待。那么我们回到芯片，芯片用电，也是如此，VRM电流响应频率低，芯片需要的响应速度几乎是ps(皮秒)级别的，因此需要储能电容，而且还是分级的储能电容:

现在带着例子，去理解上图，我们就能够明白多级电容的意义了——提升电流响应频率。

VRM———————水厂(小时级)

VRM体电容————城市级大蓄水池(小时级)

PCB去耦电容———小区级蓄水池(分钟级)

封装去耦电容———楼栋级蓄水池(秒级)

片上去耦电容———楼顶水箱(秒级)

芯片———————用户

当芯片用电时， 分级调度让响应变快的同时，各级电容受到的干扰降到了最低。

分级供电机制:

  • 低频给高频充电，高频给更高频充电(慢慢充)
  • 有电流需求就放电，只有速度匹配发电才有效(快速放)

基于目标阻抗法的PI设计

（阻抗目标值）会在一些优秀的IC厂商提供Datasheet中出现，而且是各个频段对应不同的目标值，通常低频要求目标值较低，随着频率增高，这个值会逐渐增加(并不是说高频要求降低了，只是把这个任务的很大部分交给了片上电容来完成)，对于没有给出这些信息的IC厂商，我们就可以考虑目标阻值法了。

——来自微信公众号电子设计联盟的《电源分配网络(PDN)与目标阻抗计算方法》一文。

目标阻抗法这一部分，我在SIwave第二部分也介绍过，我们再来复习一下:

目标阻抗法是频域设计方法，旨在提供快速电流时，尽量减小引起电压的波动

不同电容提供不同频段的低阻抗路径，同时，多个电容并联，其ESR也会减小

电压噪声计算公式:

我们对PDN网络进行阻抗仿真，获得PDN阻抗频域图，随后，我们将作为下限值，超过它的部分，都是需要整改的部分。

深入PI设计

我们在PDN网络充/电本质小结中，分析了为什么要使用分级供电。如果某个级别的电容值不对，那么就相当于一个蓄水池能力不足or故障，对整条PDN网络而言，会出现电源压降异常的情况。对此我们就要使用IR Drop仿真，找出电源压降从哪里开始出现问题。

我们在基于目标阻抗法的PI设计小结中，知道了如何获取目标阻抗，通过PDN阻抗仿真，获得PDN阻抗频域图，随后，我们将作为下限值，知道了需要整改的部分。

除此之外，我们还需要平面谐振特征分析，比如我们在反激开关电源中，会遇到漏感振铃情况，我们就可以使用平面谐振特性分析，找到谐振频率，然后进行整改。

推荐大家看B站up亿道电子的【Ansys】 SIwave第五章：Ansys Slave 电源完整性介绍

DC IR Drop仿真

IR Drop仿真推荐读者阅读《仿真技巧揭秘：Ansys SIwave的IR Drop仿真方法》

DC IR Drop即直流压降，是指PCB上电源网络的金属电阻不可忽略造成的分压，远端看起来发生了压降。对于大型复杂的高速PCB，因为走线较长电阻较大，这个问题更加明显，所以为了确保板子在正常的电压范围工作，在进行信号完整性分析前，要先做IR Drop仿真。

仿真前，我们还是要导入PCB，然后完成仿真前的向导配置的，我在SIwave第四部分的仿真前处理-设置与检查小结已经介绍过，这里不再赘述。

我们需要查看芯片的Datasheet，确认好，哪些芯片是电压源和电流源，以及哪些芯片需要消耗多少电流。

上图中，确认红色芯片为LDO，提供3.3V电压；U2A5、U4B1、U25、J2L1皆为用电芯片

那么我们确定好电源走线的名称，可以在SIwave的仿真向导中找到 “Configure DC IR Drop Analysis”

打开后，左侧勾选需要分析的网络，相连的器件会显示在右侧，勾选Hide RLC Components，就可以隐藏不需要设置的RLC器件啦。

以V3P3_S5网络为例，它连接了J2L1芯片、U2A5芯片和U4B1这些用电芯片，我们将它们的Source/Probe栏配置为 电流源(因为芯片需要恒定的电流) ，Type栏中配置为 Constant Voltage，最后在Magnitude栏中输入恒定的电流值；

它也连接了U3A1供电芯片，Source/Probe栏中配置为 电压源 ，在Magnitude栏中输入电压值；

其他的走线，我们都可以忽略，我们选择None即可.

确定好所有网络后，我们就可以戳 “Configure Simulation” 创建仿真，然后点击 “Validate” ，启动 “Validata Check” ,检查电路及仿真是否有错误。

检查完成出现如下界面。若提示有错则需要修改之后重新检查，点击Auto Fix或手动修改，完成后进入下一步

打开Simulate…后，会有

仿真温度一般为20cel(20℃)，在”other solver options”中，配置核心和HPC，最后Lauch即可！

仿真结束后查看结果：可在Result窗口中选择仿真名称，右键选择仿真结果，或者点击顶部的DC IR Drop按钮，选择需要查看的仿真结果。

查看Current/Voltage Plot：可在左侧勾选需要查看的网络，右侧勾选需要查看的层和参数。然后点击Apply应用设置。

如果要查看详细的器件数据，可选择Display Element Data：

如果要导出仿真结果，点击Export Report：

系统级PDN阻抗仿真

仿真前，我们还是要导入PCB，然后完成仿真前的向导配置的，我在SIwave第四部分的仿真前处理-设置与检查小结已经介绍过，这里不再赘述。

当验证完成后，我们就可以选择”Configure PI Analysis”

我们先前已经验证好了电源网络和GND网络，那么点开后，就会出现电源网络

以+1.2V网络为例，其从VRM1出发，到达CPU1的引脚，因此上图 CPU1 、 VRM1 的Port栏设置为了Prot，同时，参考阻抗也配置为了0.1ohm（则是统一规定的，阻值越小精度越高）。

随后， configure Simulation ，SIwave会为我们自动创建端口，然后 Validate 进行检查，最终 Simulate… 就可以得到网络的Z参数数据了。

不过这里自动创建的是忽略LC的端口。如果我们需要考虑走线的LC，我们就需要手动创建合适的端口(手动创建端口就要用到——)

我们先打开来新建Group，方便后续的手动创建选中端口.

Part Name为VRM，因为是1.2V是从VRM到CPU1的；勾选+1.2V和GND，然后”Create Pin Group(s)”即可创建。

现在打开我们的，选择仿真引脚和参考引脚，选择生产端口的种类。

生成端口，我们可以在PCB展示图中看到，具有感抗参数的电感类型端口

随后，我们就开始 Compute SYZ Parameter 仿真，在 Z-Parameter Plot 界面可以查看结果。

在上图，我添加了两根红色的直线，在 Magnitude 较低处，我们需要注意它们对应的频率，因为该频率极有可能是板件谐振频率。我们就需要使用谐振特征仿真来结合去分析。

谐振特征仿真

推荐大家去看B站UP主这EMC想仿到哪就仿到哪的基于SIwave的PCB电源完整性仿真之谐振分析视频

在谐振仿真前，我们依旧需要验证，我在SIwave第四部分的仿真前处理-设置与检查小结已经介绍过，这里不再赘述。

在Z-Parameter Plot当中，标记了三处低谷处，我们可以在图中的左上角List看到，m1处为0.0015GHz，m2处为0.0052GHz，m3处为0.0209GHz；我们使用谐振分析()时，选择最小频率、最大频率，要记得将三处低谷处的频率包含进去。

仿真结束后，我们在Result栏中找到结果，双击打开

对于谐振仿真，我们一般只关注GND和PWR，选择后点击Compute就会计算出对于Mode

选择对应的Mode，就可以在PCB板上查看哪些位置的谐振比较严重。

我们也可以选择”Phase Animation”，形成谐振情况动图:

去耦电容优化

我们找到了谐振位置，一般的，我们处理谐振，就会用到去耦电容。处理起来，有两种方法，第一种就是我们手动在那个位置添加一个电容。第二种办法就是使用PI Advisor()进行去耦电容优化。

在simulation菜单下点击PI Advisor，设置阻抗优化后的目标值

我们要导入对应的目标阻抗参数(它们一般由芯片厂商提供或者芯片厂商的Datasheet中给出)，随后勾选需要分析的Port

然后选择需要分析和优化的电容

在如下的对话框中选定需优化的电容

最后的，仿真结束，在Result栏中可以找到结果。它会为我们提供几种方案:

方案中，我们可以看到有些电容的Value值为(empty)，这意味着，在这个方案中，不需要这个电容位。